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从100G到400G,数据中心通信需要怎样的“芯”力量?

2019-01-07 15:08
滨松
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“网络”,对于大部分当代人来说已经成为了“必需品”。大家也常有对于这一现象的调侃,比如以下这个“被与时俱进”的马斯洛需求层次理论:

从100G到400G,数据中心通信需要怎样的“芯”力量?

这样便利的网络时代之所以能够到来,“光纤通信技术”可谓是功不可没。

1966年,英籍华人高琨提出了光导纤维的概念,在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。1978年工作于0.8μm的第一代光波系统被正式投入商业应用,而早期采用多模光纤的第二代光波通信系统,也很快在20世纪80年代初问世。到1990年,工作于2.4Gb/s,1.55μm的第三代光波系统,则已能提供商业通信业务了。

从100G到400G,数据中心通信需要怎样的“芯”力量?

“光纤之父”高琨,因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性贡献,其被授予了2009年的诺贝尔物理学奖。

光纤通信如今已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。也被看作是世界新技术革命的重要标志,以及未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

近年来,大数据、云计算5G、物联网以及人工智能等应用市场快速发展,将要来临的无人驾驶应用市场,给数据流量带来了爆炸性增长,数据中心互联逐渐发展成为光通信的研究热点。

从100G到400G,数据中心通信需要怎样的“芯”力量?

谷歌大型数据中心内部

目前的数据中心已不再仅仅是一座或几座机房,而是一组数据中心集群。为实现各种互联网业务和应用市场的正常工作,要求数据中心之间协同运转。数据中心之间信息实时海量交互,这就产生了数据中心互联网络需求,光纤通信则成为了实现互联的必要手段。

与传统的电信接入网传输设备不同,数据中心互联需要实现信息量更大、更密集的传输,就要求交换设备拥有更高速率、更低功耗,以及更加小型化。而决定这些性能是否能够实现的一个核心因素,则是其中的光收发模块。

关于光收发模块的一些基础知识

信息网络主要以光纤作为传输介质,但目前计算、分析还必须基于电信号,光收发模块是实现光电转换的核心器件。

光模块的核心组件由Transimitter(光发射次模块)/Receiver(光接收次模块)或Transceiver(光收发一体模块)、电芯片,另外还包括透镜、分路器、合束器等无源器件及外围电路组成。

在发射端:电信号通过Transimitter转换为光信号,再由光适配器输入到光纤;在接收端:光纤中的光信号通过光适配器被Receiver接收并转变成电信号,并输送到计算单元进行处理。

从100G到400G,数据中心通信需要怎样的“芯”力量?

光收发模块示意图

伴随着光电集成技术的发展,光收发模块的封装形式也经历了一些变化。在光模块行业成型之前,早期由各大电信设备制造商各自开发,接口五花八门,不能通用,这样导致光收发模块不能互换。为了行业的发展,最终“多源协议(MSA,Multi Source Agreement)”应运而生。有了MSA标准之后,独立专注于开发Transceiver的公司开始崭露头角,随之行业兴起。

光收发模块按封装形式可分为SFP、XFP、QSFP、CFP 等:

· SFP(Small Form-factor Pluggable)是一种紧凑型、可插拔的收发器模块标准,用于电信和数据通信应用,最高可支持10Gbps传输速率。

· XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)是10G速率的小型可插拔收发器模块标准,支持多种通信协议,如10G 以太网、10G 光纤通道和SONETOC-192。XFP收发器可用于数据通信和电信市场,并提供比其他10Gbps 收发器更好的功耗特性。

· QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable)是一种紧凑型、可插拔的收发器标准,主要用于高速数据通信应用。根据速度可将QSFP 分为4×1G QSFP、4×10GQSFP+、4×25G QSFP28光模块等。目前QSFP28已广泛应用于全球数据中心。

· CFP(Centum gigabits Form Pluggable)是基于标准化的密集波分光通信模块,传输速率可达100-400Gbps。CFP模块的尺寸比SFP/XFP/QSFP更大,一般用于城域网等长距离传输。

应用于数据中心通信的光收发模块

数据中心通信可按照连接类型分为三类:

(1)数据中心到用户,由访问云端进行浏览网页、收发电子邮件和视频流等终端用户行为产生;

(2)数据中心互联,主要用于数据复制、软件和系统升级;

(3)数据中心内部,主要用于信息的存储、生成和挖掘。根据思科预测,数据中心内部通信占数据中心通信70%以上的比例,数据中心建设的大发展,也就催生了高速光模块的发展。

数据流量持续增长,数据中心大型化、扁平化趋势推动光模块向两方面发展:

· 传输速率需求提升

· 数量需求增长

目前全球数据中心光模块需求已经由10/40G光模块向100G光模块更迭。中国阿里云宣传2018年将成为100G光模块大规模应用元年,预计2019年进行400G光模块的升级。

从100G到400G,数据中心通信需要怎样的“芯”力量?

阿里云光模块演进路径

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